Automatic Flow Control oder AFC

Wie funktioniert eigentlich ein Druchflussregler mit AFC-Technik?

Der hydraulische Abgleich an einem Heizkörper erfolgt zurzeit noch mit einem starren System. Die unterschiedlichen Verfahren zur Berechnung der entsprechenden Einstellwerte für Thermostatventile sind bekannt und so wir im Auslegungsfall der entsprechende Volumenstrom zum jeweiligen Heizkörper fließen.

Das Wasser sucht sich seinen Weg durch dieses Rohrnetz, es sei denn man lenkt intelligent (Bild: TA Heimeier)

Das Wasser sucht sich seinen Weg durch dieses Rohrnetz, es sei denn man lenkt intelligent (Bild: TA Heimeier)

TA Heimeier bietet jetzt ein neues Ventil an, das die systembedingte Starrheit aufhebt. Glaubt man den Versprechungen des Herstellers, so würden sich insbesondere in Bestandsgebäuden viele Probleme lösen lassen. Ein vom Anlagenmechaniker gewählter Durchfluss bliebe konstant. Das hört sich fast zu gut an um wahr zu sein, aber checken Sie selbst, ob Sie es dieser Technik zutrauen.

Grundsätzliches am Beispiel

In einem 6-Familienhaus sollen sämtliche Heizkörper der Wohnungen einfach nur mittels Thermostatventilen an den Vorläufen des Rohrnetzes angeschlossen sein. Wir betrachten gedanklich nur zwei extreme Wohnungspositionen im Hause.

Die Wohnung der Familie Heizke liegt direkt über dem Heizungskeller und damit sehr nahe an der Umwälzpumpe. In Heizkes Wohnung sind unterschiedliche Heizkörper verbaut. Zum Beispiel im innenliegenden Gäste-WC sitzt ein winziger einlagiger Flachheizkörper mit 200 Watt Leistung, im Wohnzimmer ein dreilagiger mit 1600 Watt. Heizkes bekommen die Bude immer und in rasender Geschwindigkeit erwärmt. Oft rauscht es in den Ventilen und die Heizkörper entlassen das Wasser sehr heiß zurück in den Rücklauf. Der Brennwertkessel im darunterliegenden Keller kriegt die heiße Brühe ab und seine Effizienz leidet. Kühler wäre für den Brennwerteffekt deutlich besser.

Im äußersten Winkel des Hauses, dazu noch im Obergeschoss wohnt Familie Dachge. Die Wohnung der Dachges ist ebenso aufgebaut wie die der Heizkes, ein winziger Heizkörper im Gäste-WC und der Riese im Wohnzimmer. Besonders früh morgens, nach der Nachtabsenkung, wird die Wohnung nur schleppend warm. Das Wasser pullert durch die Heizkörper und angenehme Temperaturen werden, wenn überhaupt, erst nach geraumer Zeit erreicht. Das bisschen Wasser, das durch die Heizkörper dröppelt verlässt diesen stark abgekühlt. Der Heizkörper erreicht seine vorgesehene Leistung daher oft nicht.

Regelkennlinien Thermostat-Ventilunterteil A-exact (Bild: TA Heimeier)

Regelkennlinien Thermostat-Ventilunterteil A-exact (Bild: TA Heimeier)

Problemlösung

Sie als SBZ Monteur-Leser haben jetzt natürlich schon eine Lösung parat. Man drosselt die Heizkörper der Heizkes. Der winzige Heizkörper im Gäste-WC kriegt eine ordentliche Bremse in den Zulauf. Theoretisch könnte man eine Unterlegscheibe vor das Thermostatventil setzen mit einer Bohrung von 2 Millimeter. Der Heizkörper im Wohnzimmer der Heizkes könnte ebenfalls eine Unterlegscheibe im Zulauf bekommen mit einer Bohrung von vielleicht 4 Millimeter. Die Logik für die entsprechenden Bohrungen ist einfach. Pumpennah und mit kleiner Leistung erhält viel Drosselung pumpennah mit hoher Leistung erhält etwas weniger Drosselung.

Das Wasser, das jetzt nicht mehr durch Heizkes Heizkörper fließt steht dann für andere Heizkörper zur Verfügung. Die Dachges atmen auf, kommt doch jetzt endlich genug Heizwasser zu ihnen ins Obergeschoss. Dachges Heizkörper im Gäste-WC bekommt eine Unterlegscheibe mit 8 Millimeter-Bohrung und der hungrige Heizkörper im Wohnzimmer bleibt ohne Unterlegscheibe, also mit vollem Durchgang erhalten.

Das nennen wir in der technischen Gebäudeausrüstung einen hydraulischen Abgleich, ist schon klar. Und klar ist auch, dass man statt eingelegter Unterlegscheiben die Thermostatventile mittels Voreinstellung reguliert. Für den Heizkörper ist der Unterschied von einer Unterlegscheibe zur Voreinstellung im Ventil nicht zu spüren. Das System funktioniert unter Volllast und im Auslegungszustand.

Logisch zugeordnete Einstellwerte bezogen auf den jeweiligen Durchfluss (Bild: TA Heimeier)

Logisch zugeordnete Einstellwerte bezogen auf den jeweiligen Durchfluss (Bild: TA Heimeier)

Problem Teillastbetrieb

Weder Heizkes noch Dachges beheizen sämtliche Räume ganztägig. Meist sind die Heizkörper in den Schlafzimmern abgestellt. Die Wohnzimmer werden nur am Abend auf wohnliche Temperaturen gebracht. Lediglich das Esszimmer wird dauerhaft warm gehalten. Der Volumenstrom der nicht durch die abgeschalteten Heizkörper fließt steht also für die verbleibenden Heizkörper im Hause zur Verfügung. Aber die abgestellten Schlafzimmer brauchen ja eigentlich nichts oder nur einen geringen Volumenstrom. Das Teillastverhalten mit den festen Einstellungen hat also einen Haken. Die im Betrieb verbleibenden Heizkörper kriegen einen zu hohen Durchfluss mit den bereits beschriebenen Nachteilen.

Schnittbild des Ventils A-exact mit der Vergrößerung der dynamischen Komponenten im rechten Teil des Bilds (Bild: TA Heimeier)

Schnittbild des Ventils A-exact mit der Vergrößerung der dynamischen Komponenten im rechten Teil des Bilds (Bild: TA Heimeier)

Problem Rohrnetz

Wenn zu dem eben nur im Gedanken skizzierten 6-Familien-Wohnhaus keine Rohrnetzpläne existieren bleibt es eine Schätzarbeit die richtige Einstellung der Heizkörper zu finden. Nahe an der Pumpe, bei Heizkes, oder entfernt, bei Dachges sind nun mal nur vage Aussagen. Und die vier anderen Wohnungen wollen auch noch richtig eingeordnet werden. Die festen Einstellungen der Heizkörper des gesamten Hauses können also in der Vorbereitung schon Kopfzerbrechen und Zeitaufwand bedeuten.

Thermostatventil-Unterteil A-exact mit den jeweiligen Einstellwerten bei unterschiedlicher Heizkörperleistungen und Systemspreizungen (Bild: TA Heimeier)

Thermostatventil-Unterteil A-exact mit den jeweiligen Einstellwerten bei unterschiedlicher Heizkörperleistungen und Systemspreizungen (Bild: TA Heimeier)

Problemlösung

Angenehmer für den Heizungsbauer wäre es doch die Heizkörper mit einem festen Einstellwert versehen zu können unabhängig von der Lage im Gebäude. Der Winzling im Gäste-WC kriegt bei Heizkes und Dachges dieselbe Voreinstellung, und auch der Wohnzimmerheizkörper hat einen festen Wert unabhängig von seiner Position im Heizungsrohrnetz. Wünschenswerter und effizienter wäre auch ein angepasstes Teillastverhalten der Ventile. Möglich wäre ein solcher Betrieb beispielsweise dann, wenn sich die Ventile auf einen Volumenstrom einstellen ließen statt einer festen Drosselung zu gehorchen. Und genau hier setzt das neue Ventil von TA Heimeier an. Es wird keine feste Drossel mehr montiert, sondern ein Durchflussregler.

AFC ist für unterschiedliche Anwendungen verfügbar: Thermostatventile A-exact, Fußbodenkreisverteiler Dynacon und Multibox (Bild: TA Heimeier)

AFC ist für unterschiedliche Anwendungen verfügbar: Thermostatventile A-exact, Fußbodenkreisverteiler Dynacon und Multibox (Bild: TA Heimeier)

Aufgabe von AFC

Unabhängig von der Position eines Heizkörpers in einem Rohrnetz bekommt das Thermostatventil mit AFC-Technik eine Voreinstellung entsprechend eines vorgewählten Volumenstroms.

Beispiel:

Ein Heizkörper im Gäste-WC bei einer Leistung von 230 Watt und einer vorgesehenen Spreizung von 10 Kelvin müsste rund 20 Liter pro Stunde (l/h) erhalten. Der rechnerische Nachweis erfolgt später im Text. Ein Heizkörper mit 1600 Watt müsste entsprechend mit maximal 138 l/h durchströmt werden und das bei Heizkes und Dachges gleichermaßen.

Verändern sich die hydraulischen Verhältnisse im Haus, reagiert dann eine Drossel im AFC-Ventil und reißt bei abnehmendem Volumenstrom weiter auf beziehungsweise fährt zu bei zunehmendem Volumenstrom. Dabei kommt natürlich die Temperaturreglung nicht zu kurz. Der Thermostatkopf versieht wie gewohnt seinen Dienst. Der Kopf schließt und öffnet den Zulauf abhängig von der gewählten und der vom Dehnkörper registrierten Raumtemperatur (siehe auch www.sbz-monteur.de, Archiv im Netz, Heft 03/2012, „Ich muss das immer auf 5 stellen“).

Hightech?

Technisch musste es also gelingen, einerseits einen Ventilteller abhängig von einem Dehnelement des Thermostatkopfs zu bewegen und andererseits einen maximalen vorgewählten Volumenstrom nicht zu überschreiten. TA Heimeier hat am Prinzip der Raumtemperaturregelung nichts verändert. Daher funktionieren die Thermostatköpfe des Herstellers auch weiterhin auf diesen Ventilen.

Die Funktionserweiterung der Durchflussregelung erreichte man mit einem einem verschiebbaren Kegel der in den Strom der durchfließenden Heizwasser ragt. Die Verschiebung dieses Kegels erfolgt als Voreinstellung von außen mittels eines Spezialschlüssels. Dem Kegel wird ein federbelastetes und bewegliches Hütchen gegenübergestellt. Dieses Hütchen schiebt sich abhängig von der Durchströmung des Ventils in Richtung Kegel oder entfernt sich entsprechend. In Ruhestellung steht das Hütchen nahe am Kegel. Wird jedoch der Voluemnstrom durch das Ventil höher als vorgesehen, reiß das Wasser dieses Hütchen gewissermaßen gegen die Federkraft mit sich und verengt den Zulauf. Das Mitreißen erfolgt, bis sich wieder ein Gleichgewicht einstellt, der Volumenstrom also auf den Einstellwert angenommen hat. Nimmt der Durchfluss wieder ab, wird das Hütchen durch die Federkraft in die Ruhestellung gedrängt.

Zwei bewegliche Teile ergeben so ein sich ergänzendes Ganzes. Einerseits kann der Thermostatkopf ganz konventionell die Anforderung an die Raumtemperatur erfüllen, andererseits begrenzt das Zusammenspiel von Kegel und federbelasteten Hütchen den maximalen Volumenstrom. Die ausgeklügelten Strömungs- und Druckverhältnisse in diesem Ventile machen es möglich.

Beispieleinstellungen

Der im Text skizzierte Heizkörper des Gäste-WCs mit 230 Watt Leistung kann rechnerisch bei einer vorgesehenen Spreizung von 10 Kelvin sehr einfach bezüglich des notwendigen Volumenstroms berechnet werden.

Die berühmte Formel Kuhistgleichemmmalcemaldeltatheta hilft:

Dabei ist

 = Leistung in Watt

 

= der Massentrom in Kilogramm pro Stunde

 

c = die spezifische Wärmekapazität (für Wasser mit 1,163 Wh/(kgK))

= Temperaturdifferenz in Kelvin

 

Umgestellt zur Suche nach dem Massenstrom ergibt sich ganz einfach:

und eingesetzt für den Heizkörper mit 230 W bei 10 K Spreizung

Wir setzen in diesem Fall also voraus, dass 1 Kilogramm Wasser einem Volumen von 1 Liter entspricht. Das ist für die meisten Berechnungen im Heizungsbau völlig ausreichend.

Die Einstellung erfolgt gemäß den Herstellerangaben auf den Einstellwert 2.

Vorteile von AFC

Die Vorteile dieser Technik liegen auf der Hand. Der Einbau eines solchen Ventils ist einfach und erfolgt stumpf gemäß der Leistung und der vorgesehenen Spreizung des Heizkörpers. Hat man durch diesen Bezug einen Einstellwert für den Kegel gefunden, ergibt sich der Rest automatisch. Der dynamische Teil des AFC-Ventils reguliert die Durchströmung und kappt die ungeliebten Spitzen im Teillastbetrieb. Der Verbrauch an Wärmeenergie wird auf das notwendige Maß begrenzt. Die Rücklauftemperaturen lassen sich so ebenfalls begrenzen, ohne dass aufwendige Rechenarbeiten über das Rohrnetz zu erarbeiten sind. Diese AFC-Technik von TA Heimeier wird ausgedehnt auf die Fußbodenheizkreisverteiler Dynacon und die Serie Multibox. Denn auch andere Typen von Heizflächen lassen sich mit einem dynamisch angepassten Volumenstrom effizienter betreiben.

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